Investigadores dirigidos por el Instituto de Ciencias de Tokio han creado un sensor avanzado con diseño nanométrico capaz de detectar rápidamente concentraciones ultrabajas de gas hidrógeno, lo que marca un salto significativo en la seguridad industrial.
El hidrógeno, a menudo considerado el combustible limpio del futuro, está ganando terreno rápidamente como fuente de energía sostenible. A pesar de sus numerosos beneficios, su naturaleza altamente inflamable plantea riesgos significativos. Para mitigar estos problemas de seguridad, un equipo de investigadores dirigido por Yutaka Majima, profesor del Instituto de Ciencias de Tokio, ha desarrollado un sensor revolucionario capaz de detectar gas hidrógeno en concentraciones ultrabajas casi instantáneamente. Esta innovación se detalla en un estudio publicado en la revista Advanced Functional Materials.
El sensor recientemente desarrollado está fabricado con nanocables de óxido de cobre policristalino (CuO) con patrones nanométricos y está montado sobre un sustrato de silicio con electrodos de platino y titanio. Esta configuración permite que el sensor detecte hidrógeno en concentraciones tan minúsculas como 5 partes por mil millones (ppb), una mejora sustancial con respecto a los sensores anteriores basados en CuO.
Sorprendentemente, el sensor puede identificar la presencia de gas hidrógeno en solo 7 segundos y vuelve a las condiciones normales en solo 10 segundos.
“Utilizamos litografía por haz de electrones y oxidación ex situ en dos pasos para desarrollar un proceso confiable y reproducible para preparar sensores de gas hidrógeno de nanocables de CuO nanopatronizados de alto rendimiento y nanogaps con huecos, que es considerablemente diferente de los nanocables de CuO monocristalinos independientes convencionales cultivados directamente a partir de fuentes de cobre”, dijo Majima en un comunicado. comunicado de prensa.
El funcionamiento del sensor depende de la detección de cambios en la resistencia eléctrica de los nanotubos de carbono CuO. En el aire ambiente, las moléculas de oxígeno se adhieren a la superficie de los nanotubos de carbono CuO, formando iones de oxígeno y activando una capa de portadores de carga positiva, o agujeros, cerca de la superficie.
Cuando hay gas hidrógeno, reacciona con estos iones de oxígeno de la superficie para producir agua, lo que reduce la concentración de agujeros. Esto da como resultado un aumento de la resistencia dentro de los NW, lo que indica la presencia de hidrógeno.
Los investigadores introdujeron un paso de pre-recocido en un entorno rico en hidrógeno, seguido de una oxidación lenta en aire seco para mejorar el rendimiento del sensor. Este proceso transformó los nanocables de cobre recién fabricados de formas rectangulares a arcos semicirculares, lo que aumentó su cristalinidad. La oxidación posteriormente convierte los nanocables de Cu en CuO, enriqueciendo la superficie con huecos que aumentan los sitios activos disponibles para la interacción del hidrógeno y el oxígeno.
Otra mejora significativa fue que el equipo redujo la distancia entre los electrodos a 33 nm. Esta reducción reforzó el campo eléctrico, acelerando el movimiento de los portadores de carga y, por lo tanto, la respuesta del sensor. En consecuencia, el sensor detectó 1,000 ppm de hidrógeno en tan solo 5 segundos.
Destacando el potencial más amplio de su técnica, Majima agregó: “Seguiremos desarrollando una gama más amplia de sensores de gas con este proceso para fabricar sensores para otros gases peligrosos también”.
Este avance revolucionario promete transformar los protocolos de seguridad del hidrógeno en entornos industriales. Al facilitar la detección temprana de fugas y garantizar un control fiable de los niveles de hidrógeno, el sensor podría desempeñar un papel fundamental en el avance de la adopción segura y generalizada de las tecnologías del hidrógeno. Este avance se alinea con los esfuerzos mundiales para realizar la transición a una economía basada en el hidrógeno, lo que podría revolucionar la forma en que las industrias gestionan y manipulan el gas hidrógeno.